Bei Temperaturen von bis zu -30°C analysieren Forscher auf der Zugspitze wetter- und klimawirksame Prozesse. Um die Forschungsarbeiten zu überwachen und die Messgeräte im Blick zu behalten, setzt man in luftiger Höhe auf IP-Videokameras. Unbrauchbare Messungen, die mit Feuchtigkeit in Berührung gekommen sind, können durch die Videoaufnahmen sofort gefiltert werden.

Unterhalb der Zugspitze auf einer Höhe von 2.650 Metern steht das Schneefernhaus, ein ehemaliges Hotel, das seinen Namen dem größten bayrischen Gletscher verdankt. Heute dient es als Umweltforschungsstation (UFS), an der sich Wissenschaftler mit der kontinuierlichen Beobachtung physikalischer und chemischer Eigenschaften der Atmosphäre beschäftigen. Dort werden bei Temperaturen von bis zu -30°C wetter- und klimawirksame Prozesse analysiert, die für die Beschreibung von Zustand und Entwicklung des weltweiten Klimas grundlegend sind. Wenn es um die Qualitätskontrolle der Messdaten geht, vertrauen die Wissenschaftler auf IP-Videokameras von Mobotix.

Die UFS Schneefernhaus steht unter der Leitung des Bayrischen Umweltministeriums und bietet Forschungsinstituten die Möglichkeit, dort ihrer Wissenschaft nachzugehen. Einer der Forschungspartner ist das Institut für Geophysik und Meteorologie der Universität zu Köln. Der Forschungsschwerpunkt des Instituts liegt auf Wolkenfernerkundung mittels Mikrowellenradiometrie. Darunter versteht man einerseits die Beobachtung atmosphärischer Parameter wie etwa die vertikale Verteilung von Temperatur und Feuchte als auch andererseits Informationen über den Schnee- und Wassergehalt von Wolken mit Auflösung im Sekundentakt. 

Diese Parameter lassen sich mithilfe sogenannter passiver Mikrowellenradiometer bestimmen. „Mikrowellenradiometer sind hochempfindliche Empfänger für Mikrowellenstrahlung“, erklärt Stefan Kneifel, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts für Geophysik und Meteorologie der Universität Köln und Mitarbeiter an der UFS am Tosca-Projekt. Die Forschungsgruppe untersucht in langjährigen Beobachtungsreihen den Flüssigwasser- und Schneegehalt von Wolken. In den polaren Gebieten ist eine rapide Veränderung des Wasserkreislaufs festzustellen. Aus diesem Grund ist die Kenntnis der globalen Schneefallverteilung von besonderer Bedeutung für Klimastudien.

Variable Objektivauswahl erforderlich
Doch die Untersuchung der mikrophysikalischen Eigenschaften fallenden Schnees ist eine komplexe Aufgabe, die eine präzise Forschung und sorgfältige Auswertung sowie Qualitätskontrolle der Messdaten erfordert. „Die Mikrowellenradiometer messen durch ein Messfenster im Gehäuse des Gerätes nach außen, welches aus speziellem Schaumstoff besteht“, erklärt Stefan Kneifel. „Es ist wichtig, dass dieses Messfenster trocken bleibt. Sobald sich dort Schnee, Eis oder Wassertropfen ansammeln, werden die Messungen unbrauchbar.“ Um solche Situationen aufzudecken und die Daten im Nachhinein entsprechend filtern zu können, musste eine Lösung gefunden werden. Nach intensiver Recherche fiel die Wahl auf ein IP-Videosystem des Kameraherstellers Mobotix.

Das Videosystem war neuartig an der Forschungsstation. Zuvor gab es keine Kameralösung, die die Arbeit des Tosca-Projekts unterstützte. Aufgrund der speziellen Wetter- und Arbeitsbedingungen an der Forschungsstation sind die Anforderungen an ein Videosystem hoch. Neben Robustheit ist auch Langlebigkeit der Kameras ein wichtiges Kriterium. Da die Forschungsarbeiten sowohl am Tage als auch in der Nacht durchgeführt werden, müssen die Kameras zudem eine hohe Lichtempfindlichkeit besitzen. „Für die verschiedenen Beobachtungsbereiche brauchen wir für unsere Kameras auch eine variable Auswahl an Objektiven, die sich flexibel je nach Bedarf austauschen lassen“, so Stefan Kneifel.

Dezentrales Konzept statt hochperformant ausgelegtes Netzwerk
Normalerweise liefern Kameras nur die Bilder, die Verarbeitung und Aufzeichnung erfolgt nachgeordnet auf einem zentralen PC. Das erfordert jedoch ein hochperformant ausgelegtes Netzwerk, das nicht immer – wie beispielsweise am Schneefernhaus in 2.650 Metern Höhe – verfügbar ist. Zudem reicht eine PC-Rechenleistung für mehrere hochauflösende Kameras in der Regel nicht aus. Charakteristisch für Mobotix ist das dezentrale Konzept, das dieses Problem umgeht.

In jede Kamera ist ein Hochleistungsrechner und bei Bedarf ein digitaler Langzeit-Flashplayer in Form einer MicroSD-Karte zur mehrtägigen Aufzeichnung integriert. Die Verarbeitung der hochauflösenden Bilder geschieht in der Kamera selbst, das heißt sie müssen nicht andauernd zur Auswertung transportiert werden und der PC wird nur noch zum Anschauen benötigt. Ein großzügig ausgelegtes Netzwerk ist somit nicht mehr erforderlich.
Die erste Kamera für die Überwachung der Mikrowellenradiometer an der UFS Schneefernhaus wurde 2007 installiert. Die Mobotix M1 wurde ausschließlich für die Kontrolle der Messungen am Tage eingesetzt, eine Nachtbeobachtung war zu diesem Zeitpunkt nicht geplant.
Kamerapositionierung vor den Messgeräten

Seit 2008 gibt es an der UFS noch eine zweite Kamera, die die kostenintensiven und hochsensiblen Messgeräte im Blick hat. Die M22 besitzt zwei separate Bildsensoren, die sowohl für Tag- als auch für Nachtaufnahmen eine hohe Bildauflösung garantieren. Die Kamera eignet sich somit für die Überwachung der Forschung bei Dunkelheit. „Zusätzlich haben wir zur Beleuchtung einen LED-Schweinwerfer installiert. Das stellt sicher, dass wir auch bei schlechten Lichtverhältnissen klare Sicht haben, denn unsere Messungen laufen auch in den Nachtstunden weiter“, erläutert Stefan Kneifel. 

Zudem speichert diese Kamera bis zu 30 hochauflösende Live-Bilder pro Sekunde inklusive Ton. Zum Vergleich: Ein Kinofilm zeigt lediglich 24 Bilder pro Sekunde. Die detailgetreuen Aufnahmen der Kamera lassen selbst winzige Flüssigkeitstropfen in hochauflösender Bildqualität sichtbar werden. „Wo das menschliche Auge auf den ersten Blick versagt, hilft uns die Kamera dabei, Klarheit zu schaffen. Sie trägt dazu bei, eine hohe Qualität unserer Messdaten zu garantieren“, so Stefan Kneifel weiter. Die Kameras wurden direkt vor den Messgeräten positioniert. So kann sowohl das Messfenster optimal überwacht als auch der Himmel mit beobachtet werden, um Wettersituation und Sichtweite festzustellen.

Eine weitere Kamera, die M24, ist seit 2010 am Forschungszentrum Jülich im Rahmen des Jülich Observatory for Cloud Evolution (JOYCE) in Betrieb. Auch diese Einrichtung wird unter anderem von der Universität Köln geleitet und befasst sich mit der Struktur von Wolken und deren Zusammensetzung. Das Besondere an dieser Kamera ist die freie Objektivwahl inklusive 180°-Panoramaversion.

Alle eingesetzten Kameras arbeiten bei widrigen Wetterbedingungen. Sie sind robust, wetterfest von -30 bis +60°C und ermöglichen digitales stufenloses Zoomen, Schwenken und Neigen. Da sie ganz ohne mechanische Teile auskommen, reduziert sich die Wartung auf ein Minimum. Die Mobotix-Netzwerkkameras können den Strom mittels PoE oder auch über das ISDN-Kabel beziehen. Der geringe Stromverbrauch (<5 W) bringt Kostenvorteile und schont die Umwelt. Per Script werden die Kamerabilder alle fünf Minuten von der Kamera abgerufen und via Internet zur Universität Köln zur Auswertung und Archivierung geschickt.